公路隧道安全風險分析與設計研究

劉 志

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

公路隧道屬風險較大的地下巖土工程，且往往是公路工程全線施工的控制性工程，公路隧道風險因素多，風險影響大，如若風險控制不當，極易引發風險事件。加強風險控制管理，對保證隧道工程安全實施尤為重要。

目前公路隧道工程風險分析研究，針對施工準備及施工階段的較多，在設計階段的研究內容相對較少[1]。隧道設計是隧道施工的主要依據，合理進行風險管理和控制能夠大大提高隧道工程施工的安全性，從這一點來說，有必要在設計準備階段重視風險分析并有針對性地進行應對設計。

1 風險控制概述

工程項目風險控制主要包括風險辨識、風險分析與評估、風險應對3 個步驟。在設計階段對隧道施工進行風險的預防和控制時，首先，應當對隧道工程進行風險源辨識，建立初步識別清單和確定風險事故；然后，通過一種或多種風險分析和評估方法，對風險因素進行綜合評估并考慮相應的應對設計措施；最后，根據評估結果選擇相應的設計措施[2]。對于可能發生較大風險事故的風險項，還要考慮進行專項設計。

2 風險評估方法

本文主要從初步設計階段進行風險評估，采用的評估方法主要為專家調查法，即采用函詢的方法征求專家意見，進行風險評估并確定設計方案。該方法雖然分析結果受組織者和專家主觀因素影響大，但能夠廣泛采取大多數人的意見，在設計階段使用時較為方便和實用，也是現行規范和標準推薦使用的主要方法。

專家調查法的一般步驟：a）將項目設計前期基本信息（含地質資料、外業調查資料、路線布置情況等）和設計問題提交給專家；b）請專家匿名對風險源情況、風險分析和評估、風險控制措施等提出意見；c）對專家意見進行歸納總結，形成設計方案；d）將總結的評估結果和設計方案交專家審定，請各專家再提出匿名意見；e）以上過程循環多次后，最終形成的評估結果和設計方案為設計依據。

3 工程概況

擬建公路為次要干線公路，公路等級為一級，設計速度80 km/h，路基寬度25.5 m。擬建隧道設計為左右線分離式兩車道公路隧道。隧道進口段平面線型為曲線，曲線長度滿足3 s 設計速度行程長度范圍的平面線型，其他平面線型為直線；隧道左右線縱面坡度均為0.2%。隧道圍巖等級主要為Ⅳ級和Ⅴ級。隧道兩洞中軸線間距約30 m。左線洞體全長1 094 m，右線洞體全長1 075 m；洞體沖溝淺埋段最小埋深約3 m，洞體最大埋深約112 m。隧址區為典型的黃土高原梁峁殘垣溝壑區。洞內圍巖主要為灰巖局部夾灰黃色薄層泥灰巖構成，泥晶質結構，層狀分布。圍巖風化程度強- 中等風化。

4 隧道風險分析與設計

隧道工程風險種類多，風險辨識任務大，在不同施工或場地環境段落，遇到的風險狀況往往不同。在設計前期按照分段設計的方法，能夠做到有重點地對風險事項進行預防和控制設計。本文進行隧道工程設計時，將風險段落主要劃分為隧道進出口段、洞身沖溝淺埋段、下穿構筑物段、特殊地質段4 個段落進行風險分析和設計，并結合評估專家意見進行有針對性的工程設計。

4.1 隧道進出口段設計

4.1.1 進出口段風險源辨識

隧道進出口段埋深淺，地質、地形條件差，當存在偏壓時，偏壓側地層多出現風化破碎、堆積等形成的松軟巖體等不利情況，是隧道工程施工的薄弱環節，易發生風險事故。進出口段主要風險點包括：洞口邊仰坡失穩、開挖面坍塌、洞口結構或地表大變形、洞口地基沉降失穩等。本次設計隧道進口段地形情況如圖1。

圖1 隧道進口段地形分布圖

4.1.2 進出口段風險控制措施

隧道洞口段風險的主要控制措施包括：滑坡等地質災害處理、邊仰坡加固、長管棚或小導管等超前支護、地基換填或加固處理等。

4.1.3 進出口段方案設計

圖2 進出口段主要方案設計圖（單位：m）

結合擬建某隧道的設計階段資料和專家審定意見，隧道進出口段進口左洞施工屬風險較大部分，主要風險原因為地形淺埋偏壓，易發生大變形、坍塌的風險事故。經方案比選，洞口段開挖采用長管棚超前加固進行預支護，并采用偏壓式明洞襯砌抵抗地形偏壓應力，主要方案示意圖見圖2。

4.2 穿越沖溝淺埋段設計

4.2.1 穿越沖溝淺埋段風險源辨識

隧道洞身開挖過程中，當穿越沖溝或其他地段，易形成洞身施工埋深較淺的情況，往往地質條件差，地下水豐富，且伴隨著施工場地狹小等不利因素。洞身淺埋段的主要風險事件一般有洞內坍塌、冒頂、涌水等。本次設計隧道沖溝段主要地形如圖3 和圖4。

圖3 穿越沖溝段地形分布圖（平面）

圖4 穿越沖溝段地形分布圖（縱斷面）

4.2.2 穿越沖溝淺埋段風險控制措施

隧道穿越沖溝段的主要處理措施包括：采用明挖法先出洞再進洞，在洞外地表預加固、洞內超前支護等措施。

4.2.3 穿越沖溝淺埋段方案設計

本次設計隧道右線靠近出口段隧道穿越一小型沖溝，隧道洞身埋深變淺，設計洞頂最小埋深僅3 m，主要影響段落為右線K48+670—48+710 段，長度約40 m。隧道圍巖主要為薄層狀泥灰巖，開挖易造成坍塌、冒頂風險。經論證分析，設計采用洞外地表加固和洞內超前支護相結合的方案。其中，地表注漿采用直徑50 mm 的鋼花管，加固范圍為沿洞身兩側并外擴約4.5 m，鋼花管呈梅花型布置，間距1.5 m，注漿材料為水泥漿，水灰比1∶1。洞內超前支護采用φ42 雙排小導管預加固，導管上下兩排交錯布置，下排傾角約15°，上排傾角約25°。小導管縱向間距3 m，環向間距0.3 m，注漿材料采用水泥水玻璃雙液漿。主要方案示意圖見圖5。

圖5 穿越沖溝段洞內施工方案圖（單位：m）

4.3 下穿構筑物段設計

4.3.1 下穿構筑物段風險源辨識

隧道路線確定過程中，不可避免地會出現隧道洞身上方存在構筑物的情況。下穿構筑物段的主要風險在于，隧道開挖引起的地表變形造成建筑物的傾斜、破壞等。常見受影響的建筑物有：重要樹木、林地；自然遺跡或歷史文化遺址；電力、通信、運輸管道等行業設施等。本次設計隧道穿越構筑物段主要分布情況見圖6。

圖6 隧道下穿高壓電塔位置圖

4.3.2 下穿構筑物段風險控制措施

當隧道洞身下穿構筑物時，應綜合評估工程開挖造成的變形等其他影響，向有關部門報告并取得許可后確定方案。下穿建筑物時，主要的處理措施有：路線改線避讓、構筑物地基加固、構筑物遷址重建等。

4.3.3 下穿構筑物段方案設計

本次設計隧道在左線ZK47+859 和右線K47+895 兩處附近隧道路線存在下穿電塔情況，該段距洞口較近，埋深相對較淺，開挖過程會造成一定的變形。考慮到電塔設置的重要性，結合專家和電力部門的方案和意見，對兩處電塔進行遷址重建，隧道按正常段進行設計。

4.4 穿越特殊地質段設計

4.4.1 穿越特殊地質段風險源辨識

隧道工程屬巖土地下工程，在進行巖土開挖時，就不可避免地遇到特殊地質情況。常見的隧道特殊地質主要包括：巖溶和土洞、滑坡和崩塌、地震、泥石流、采空區等；對于隧道工程，還要注意瓦斯等有毒有害氣體、斷層等其他構造形成的破碎帶或風化帶等對工程開挖的不利影響。本次隧道設計主要涉及特殊地質為落水洞，典型分布圖見圖7。

圖7 隧道落水洞典型分布圖

4.4.2 穿越特殊地質段風險控制措施

穿越特殊地質段隧道施工一般難度大，風險事故多發，在進行設計時，首選方案應當考慮進行避讓。如不能避開，應根據不同的地質情況，結合對隧道開挖的影響，選用相應的特殊地質處理措施。

4.4.3 穿越特殊地質段方案設計

本次設計隧道在洞身路線上方存在多處落水洞，經地質調查并結合專家意見，隧道落水洞規模多較小，設計采用回填方案，對落水洞進行處理。

4.5 隧道設計安全風險清單

通過對該隧道設計階段的風險分析與設計，最終形成該隧道的風險源控制清單。清單主要包括風險地段、風險事項、風險措施和設計對策4 個部分，清單以表格的形式在設計文件中體現，用以指導后續施工過程。主要安全風險清單與設計方案見表1。

表1 某隧道工程設計主要安全風險清單與設計方案表

5 結語

本文將公路隧道的初步設計階段作為一個風險項目，通過劃分不同段落的方式，對隧道結構施工過程的主要風險進行了研究和分析，并根據不同的風險后果提出有針對性的設計方案，為隧道工程安全設計和施工提供有效保障。